等离子体激发方法与等离子体处理设备与流程

本发明涉及半导体处理，具体涉及一种等离子体激发方法与等离子体处理设备。

背景技术：

1、在半导体制造工艺中，变压器耦合等离子体和感应耦合等离子体被广泛应用于刻蚀、沉积等工艺。感应耦合等离子体装置通过射频线圈产生交变电磁场，将射频功率耦合至反应腔室内以激发工艺气体形成等离子体。

2、感应耦合等离子体的激发过程通常经历电容耦合模式向感应耦合模式的转变。在电容耦合模式阶段，射频线圈与等离子体之间主要通过电容耦合方式传递能量，射频线圈产生的交变电场通过介电窗加速腔室内的自由电子，使电子与工艺气体分子碰撞电离以产生更多自由电子，该阶段等离子体密度较低。当等离子体密度升高至一定阈值后，足够多的自由电子在射频线圈产生的交变磁场下感应形成涡旋电场并驱动交变涡流，放电转变为感应耦合模式，此时感应耦合占主导地位，等离子体密度显著提高，进入稳定的工艺处理阶段。

3、在射频线圈的接地端串联电容即端接电容是本领域已知的技术手段，用于改变射频线圈上的电压分布，降低线圈与地之间的射频电势差，从而抑制线圈与等离子体之间的电容耦合电场。

4、然而，端接电容对电容耦合模式和感应耦合模式的影响是相反的。在电容耦合模式阶段，电容耦合是维持放电和产生自由电子的主要机制，串联电容会降低线圈接地端的射频电位，削弱线圈与等离子体之间的电容耦合电场，导致自由电子产生速率降低，不利于点火启辉。而在感应耦合模式阶段，感应耦合占主导，电容耦合不再是主要的能量传递方式，反而会引起离子能量损失和介电窗溅射，此时串联电容可以抑制电容耦合分量，减少离子能量损失，提高等离子体密度和感应耦合能量传递效率。

5、在一些工艺中，例如原子层刻蚀工艺，需要等离子体快速启辉并高频启停。在低占空比的脉冲射频工艺中，传统感应耦合等离子体装置的射频线圈通过固定电容接地或通过可变电容接地，以期实现稳定快速启辉。然而，现有可变电容的控制缺乏对切换时机的精确判定，无法在电容耦合模式向感应耦合模式转变的瞬间完成接地状态切换，使控制策略难以满足微秒级调控的需求，存在等离子体启辉速度慢和激发稳定性差的问题。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本技术提供一种等离子体激发方法及其所用等离子体处理设备，通过实时监测射频线圈的电压或电流峰值包络线，以包络线的突变特征精确判定电容耦合模式向感应耦合模式转变的时刻，并据此切换接地电路的等效电容值，使接地状态与等离子体所处模式相匹配。进一步通过前馈控制补偿接地电路的响应延迟，实现微秒级精确切换。在循环工艺中，每次等离子体熄灭后将接地电路复位至第一状态，并通过周期性重新学习校正工艺漂移。

2、根据本技术的一个方面，提供一种等离子体激发方法，应用于等离子体处理设备，所述等离子体处理设备包括工艺腔和位于工艺腔外的射频组件，所述射频组件包括射频线圈，所述射频线圈通过可变电容值的接地电路接地。使所述等离子体处理设备运行于第一工艺，在馈入射频能量之前，所述接地电路处于第一状态。在第一时间，向所述射频线圈馈入射频能量，并检测记录所述射频线圈上的电压或电流变化。在第二时间，所述射频线圈上的电压或电流的峰值包络线呈现表征电容耦合模式向感应耦合模式转变的突变特征且所述峰值包络线在所述突变后趋于稳定，控制所述接地电路处于第二状态，所述第二状态的等效电容值小于所述第一状态的等效电容值。

3、在一种实施方式中，所述第一状态的接地电路使所述射频线圈等效直接接地，包括将所述射频线圈的接地端与地短接，或者使接地电路的等效容抗在射频工作频率下不大于1ω。

4、在一种实施方式中，所述第二时间通过以下方式之一确定：实时计算所述峰值包络线的变化率，当所述变化率的绝对值超过第一预设阈值时判定为所述第二时间；当所述变化率的绝对值达到极值时判定为所述第二时间；当所述变化率的绝对值在超过第一预设阈值之后回落到第二预设阈值以下时判定为所述第二时间。

5、在一种实施方式中，在所述第一工艺的首次运行中记录所述第二时间，并获取所述接地电路从接收到控制指令到状态变化完成的响应时间。在重复运行所述第一工艺时，将相对于所述第二时间提前所述响应时间的时刻记为第四时间，在所述第四时间发出控制所述接地电路由所述第一状态切换至所述第二状态的指令，使所述接地电路在所述第二时间完成状态切换。

6、在一种实施方式中，所述第四时间早于所述第一时间。

7、在一种实施方式中，在所述第一工艺的单次运行结束且等离子体熄灭后，将所述接地电路复位至所述第一状态，以使下一次运行开始时所述接地电路处于所述第一状态。

8、在一种实施方式中，在重复运行所述第一工艺的过程中，每隔预定次数的运行重新进入学习模式，重新检测并更新所述第二时间和所述响应时间。

9、在一种实施方式中，所述第二状态的等效电容值小于1000pf。

10、根据本技术的另一个方面，提供一种等离子体处理设备，包括具有介电窗的工艺腔和位于所述介电窗外的射频组件，所述射频组件包括射频线圈，所述射频线圈通过可变电容值的接地电路接地，还包括控制器。所述控制器被配置为在向所述射频线圈馈入射频能量之前使所述接地电路处于第一状态，在第一时间使射频电源向所述射频线圈馈入射频能量并接收所述射频线圈上的电压或电流的检测信号，在第二时间当所述电压或电流的峰值包络线呈现表征电容耦合模式向感应耦合模式转变的突变特征且所述峰值包络线在所述突变后趋于稳定时控制所述接地电路处于第二状态，所述第二状态的等效电容值小于所述第一状态的等效电容值。

11、在一种实施方式中，所述接地电路包括串联电容和与所述串联电容并联的开关，在所述第一状态所述开关闭合使所述串联电容短路，在所述第二状态所述开关断开使所述串联电容接入。

12、在一种实施方式中，所述接地电路包括可变电容，通过调节所述可变电容的电容值在所述第一状态与所述第二状态之间切换，在所述第一状态所述可变电容的电容值被调节为使所述射频线圈等效直接接地。

13、在一种实施方式中，所述接地电路包括多个电容和与所述多个电容分别串联的多个开关，通过控制所述多个开关的通断组合选择接入的等效电容值。

14、在一种实施方式中，所述射频组件包括以下至少一者：具有高频屏蔽的罗氏线圈，所述罗氏线圈为空心环形结构并套设于所述射频线圈的引线上，输出与电流变化率成正比的信号并外接高频积分器以还原电流波形；差分电容分压器，所述差分电容分压器分别与所述射频线圈的射频接入端和接地端电连接，以采集所述射频线圈两端的浮置差分射频电压。

15、在一种实施方式中，所述开关包括pin二极管或pin二极管阵列。

16、本技术通过监测射频线圈电压或电流的峰值包络线，以包络线在电容耦合模式向感应耦合模式转变时产生的突变特征作为模式转变判据。该判据直接反映等离子体负载阻抗的突变，无需在工艺腔内设置额外传感器，判定准确且响应速度快。

17、本技术在电容耦合模式阶段使接地电路处于大电容值状态即等效直接接地状态，保持较强的电容耦合电场以促进自由电子产生和点火启辉。在感应耦合模式阶段切换为小电容值状态，抑制电容耦合损耗和介电窗溅射以提高等离子体密度，使接地状态与等离子体所处模式实时匹配。

18、通过首次运行的反馈学习模式转变时刻和接地电路响应时间，在重复运行时根据响应时间提前发出切换指令，补偿了开关器件的固有延迟，使实际切换完成时刻精确对准模式转变时刻，满足微秒级快速启辉的需求。通过在每次循环后复位接地状态和周期性重新学习，保证了高频循环工艺中长期运行的稳定性和准确性。